Neuer tragbarer Hologramm-Sensor liefert sofortige Gasleck-Alarme

Gasunfälle – wie giftige Gaslecks in Fabriken, Kohlenmonoxid-Lecks von Heizkesseln oder Erstickung durch giftige Gase bei der Schachtinreinigung – fordern weiterhin Menschenleben und verursachen Verletzungen. Die Entwicklung eines Sensors, der giftige Gase oder Biochemikalien schnell detektieren kann, ist nach wie vor ein wichtiges Thema in öffentlicher Gesundheit, Umweltüberwachung und militärischen Sektoren. Ein Forschungsteam hat einen kostengünstigen, ultra-kompakten, tragbaren Hologramm-Sensor entwickelt, der den Benutzer sofort bei der Detektion flüchtiger Gase benachrichtigt.

Die Forscher integrierten eine Metasurface mit einem gasreaktiven Flüssigkristall-optischen Modulator, um einen Sensor zu entwickeln, der einen sofortigen visuellen holographischen Alarm liefert, wenn schädliche Gase detektiert werden. Konventionelle Gassensoren werden aufgrund ihrer hohen Herstellungskosten nicht weit verbreitet. Zudem haben kommerzielle Gassensoren Einschränkungen, da sie schwer zu bedienen sind und eine schlechte Portabilität und Reaktionsgeschwindigkeit aufweisen.

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Ingenieur Trevon Badloe erzählt Tech Briefs über das Design des tragbaren Sensors.

Um diese Probleme zu lösen, nutzte das Team die Metasurface – ein optisches Gerät, das bekannt für seinen "Unsichtbarkeitsumhang"-Effekt ist, indem es sichtbare Objekte durch Kontrolle des Brechungsindex des Lichts verschwinden lässt. Die Metasurface wird besonders verwendet, um Zwei-Wege-Hologramme oder 3D-Videobilder durch freie Lichtsteuerung zu übertragen.

Mit der Metasurface entwickelte das Team einen Gassensor, der ein holographisches Bildalarmsignal in nur wenigen Sekunden im Raum schweben lassen kann, indem er die Polarisationskontrolle des transmittierten Lichts nutzt, die sich durch die Änderung der Orientierung der Flüssigkristallmoleküle in der Flüssigkristallschicht im Sensorgehäuse bei Gasexposition verändert. Zudem benötigt der Gassensor keine Unterstützung durch externe mechanische oder elektronische Geräte, im Gegensatz zu anderen konventionellen kommerziellen Gassensoren.

Die Forscher verwendeten Isopropylalkohol als das zu detektierende gefährliche Zielgas, eine giftige Substanz, die Magenschmerzen, Kopfschmerzen, Schwindel und sogar Leukämie verursachen kann. Der Sensor wurde bestätigt, selbst winzige Mengen von etwa 200 ppm Gas zu detektieren. In einem tatsächlichen Experiment mit einem Whiteboard-Marker – einer flüchtigen Gasquelle in unserem Alltag – erschien ein visueller holographischer Alarm augenblicklich, sobald der Marker an den Sensor gebracht wurde.

Ein einstufiges Nanokomposit-Druckverfahren wurde entwickelt, um den flexiblen, tragbaren Gassensor herzustellen. Die Metasurface-Struktur, die zuvor auf einem harten Substrat verarbeitet wurde, wurde so gestaltet, dass sie eine schnelle Produktion mit einem einstufigen Nanocasting-Prozess auf einem gekrümmten oder flexiblen Substrat ermöglicht. Wenn der flexible Sensor, der mit dieser Methode gefertigt wurde, wie ein Aufkleber auf Schutzbrillen angebracht wird, kann er Gas detektieren und einen Hologramm-Alarm anzeigen. Er wird voraussichtlich mit glasartigen AR-Display-Systemen integrierbar sein, die bei Apple, Samsung, Google und Facebook in Entwicklung sind.

Das Team entwickelt einen hochleistungsfähigen Umweltsensor, der die Art und Konzentration von Gasen oder Biochemikalien in der Umgebung mit einem holographischen Alarm anzeigen kann, und untersucht optische Designtechniken, die verschiedene holographische Bilder kodieren können. Wenn diese Studien erfolgreich sind, können sie verwendet werden, um Unfälle durch biochemische oder Gaslecks zu reduzieren. Besonders effektiv wäre dies in extremen Arbeitsumgebungen, in denen akustisches und visuelles Rauschen intensiv sind.